科学好故事|来自地下的巨大热量：数百万年都不会耗尽的...

Daphane

來源: 新浪科技


来源：BBC
撰文：Jacob Kushner
翻译：任天


据运营奥尔卡里亚地热项目的肯尼亚电力公司称，该项目的发电量大约占肯尼亚全部能源的27%

　　在非洲大陆东部，有一条纵贯南北的大峡谷，这是两个板块之间的分界线，被称为东非大裂谷。在东非大裂谷的火山地带，地壳运动不断撕裂着这片大陆，同时释放出令人难以置信的大量清洁能源。
　　沿着尘土飞扬的土路行驶，蜿蜒穿行于肯尼亚的“地狱之门”国家公园（Hell‘s Gate National park），路旁便是斑马、瞪羚和长颈鹿。你会看到远处有一股蒸汽直冲云霄。在布满蒸汽喷发口的巨大山谷里开车时需要十分小心，有时还要急转弯以避开冲过来的疣猪。
　　蒸汽轰鸣着，释放出来自地球深处的巨大热量；但还有一些我们看不到，能量却更加巨大的蒸汽，蜿蜒穿过数公里长的管道，推动着涡轮发电机，为人类提供一种数百万年都不会耗尽的清洁能源。
　　在这些地下迷宫般的管道之上，便是肯尼亚的奥尔卡里亚地热项目（Olkaria Geothermal Project）。在那里，一个新的发电站即将上线。在扩建之后，奥尔卡里亚6号发电站（Olkaria VI）的装机容量达到86兆瓦，推动该项目的总装机容量增至791.5兆瓦，这大约占肯尼亚全部能源的27%。目前，肯尼亚已经有38%的电力来自地热，这一比例比其他任何国家都要高。
　　奥尔卡里亚6号发电站建成后，将成为世界上最大的单一地热发电站。在全球范围内，地热能是一个价值46亿美元的庞大产业，在东南亚、北美、欧洲和其他地区有500多家发电站，为数以百万计的家庭提供电能。毕竟，地热是世界上仅次于太阳能的第二丰富的能源。
　　然而，就目前人类对太阳能的开发程度而言，地热能的开发还远远落后。尽管具有一些重要的优势，但到2016年时，全球从地热中获得的能源还仅为太阳能的4%。对比其他可再生能源，风力涡轮机在平静无风的日子里是没有用的，而太阳能电池板在太阳被云层覆盖的时候，或者到了晚上，都无法工作；对于地热能，无论一天中的什么时候，无论天气如何，我们脚下的地球都在稳定地释放大量的热量。
　　要了解这种热量的潜在价值，最好的办法就是前往距离肯尼亚首都内罗毕西北约90公里的“地狱之门”，从蒸汽喷发口中感受来自地球深处的能量。


在东非大裂谷，大陆构造板块正在缓慢地分离

　　来自地球深处的热量
　　在多云的日子里，你很难分辨在“地狱之门”上空飘浮的云是来自天空还是地面。2月的一个早晨，为肯尼亚电力公司等公司工作的地球物理学家安娜·姆旺吉开始了一天的工作——探索新的地热钻探地点。她指着岩石山坡上一个小洞中升起的微弱蒸汽，笑着说道：“你可以用它煮鸡蛋。”
　　奥尔卡里亚周围地区有许多这样的天然地热喷口，有些温度很高，不小心就会烫到手。蒸汽是地狱之门国家公园名字的来源，因为这里的景观看起来就像正在沸腾的地狱。
　　在某种程度上确实如此。地核位于地表以下约3000公里处，其温度甚至比太阳表面还高。地核的热量通过厚厚的地幔向上传播，到达地球的最外层——地壳。在构造板块——由地壳和上地幔组成——被挤压在一起或被撕裂的地方，这些热量就会上升到离地表更近的地方。东非大裂谷就是这样一个地方，它横贯非洲大陆的东部，长度达7000公里。
　　“这是大陆分裂的地方，”姆旺吉指着岩石山脊之间的深峡谷说道。这是两个巨大的构造板块正缓慢分开的明显标志。“这是一个活跃的过程，将持续几百万年，”她说，“几百万年后，如果你来到这里，会发现这里变成了海洋。”
　　在大陆撕裂的同时，人们也可以利用这种构造运动所释放的能量。随着构造板块的移动，地壳会出现裂缝，使过热的岩石与地下水相互作用，并将其转化为蒸汽。这些裂缝成为热量通往地表的通道，形成了温泉、间歇泉或热气腾腾的地热喷口。在东非大裂谷，大部分热量都被困在地表以下。
　　这种能量来自地球，而且基本上是无限的，肯尼亚拥有非常好的资源，那就是东非大裂谷。在如此接近地表的地方就有着令人难以置信的热量。在世界的其他地方，人们必须钻探数千米甚至更深才能找到相同温度的地热能。
　　卡利用这种能量发电非常简单，把水从蒸汽中分离出来，将这些蒸汽引导到涡轮上，使涡轮旋转发电。
　　奥尔卡里亚5号发电站的涡轮机转速为每分钟3000转，快得肉眼无法追踪。在一间小控制室里，两名工程师12小时轮班工作，盯着十几台显示发电站数据的监视器。姆旺吉问：“今天的发电量是多少？”。一位工程师看了看电脑屏幕说：“158兆瓦。”这大约是肯尼亚电力容量的5%。
　　总体上，奥尔卡里亚地热项目提供了肯尼亚四分之一的电力，部分电力向东南方向输送到500公里外的港口城市蒙巴萨，向西输送到几百公里外的乌干达边境。肯尼亚是世界上第八大地热能生产国，仅次于美国、菲律宾、印度尼西亚、土耳其和新西兰等国，其地热发电量已经超过冰岛和日本；一旦奥尔卡里亚6号发电站投入使用，就将超过墨西哥和意大利。
　　这些地热能是大自然赋予肯尼亚的宝贵遗产，其开发也经过了一段很长的时间。“肯尼亚很早就开始了，”姆旺吉说，“我们从20世纪50年代就开始探索，所以已经有了几十年的研究、开发和成功经验。”
　　当然也有失败。“我们的第一批井很糟糕，”姆旺吉说。那是在1956年，当时的技术还不够发达，无法利用这些蒸汽。
　　最早的奥尔卡里亚发电站在25年后的1981年建成，这是肯尼亚第一座，也是非洲第一座地热发电站。自20世纪50年代以来，经营奥尔卡里亚发电站的肯尼亚电力公司已经在“地狱之门”钻探了310口井，其中125口至今仍在冒着蒸汽。2014年和2015年，两座新的大型发电站上线，大幅提高了发电量。
　　但他们的工作远未结束。肯尼亚四分之一的人口仍然缺乏电力供应。停电现象在这个国家很常见，严重阻碍了制造业的发展，也使需要在晚上学习的学生或家长很难给手机充电。“我们需要增加更多的电力，这样我们的国家才能像世界其他地方一样灯火通明，”姆旺吉说道。


与其他形式的能源相比，地热能开发所需的土地更少，但在肯尼亚的地狱之门地区，当地居民仍需要重新安置

　　向地下深处钻探
　　为了寻找下一个蒸汽来源，姆旺吉每天要跋涉50公里，目标是所谓的“地热草”，一种又高又细的植物，具有绿色和黄色的细丝，暗示地热和湿气可能就埋藏在地下，收集岩石样品，检测水质，并测量地面温度，所有这些都能为计算提供依据，以最终决定是否应该在某个特定地点钻一口新井。
　　一旦确定较为理想的地点，就需要让投资者不要胆怯，钻井的成本约为600万美元。如果失手，这些钱就都打水漂了，这正是地热能开发的主要缺点，资本投资非常高，这让很多人望而却步。
　　对于许多地热工程师来说，最激动人心的时刻是钻一口新井并发现蒸汽的时候。当一口井钻好之后，他们打开阀门，将流体排放到大气中，此时的轰鸣和震动是不可思议的，绝对令人震撼，来自那口井里的能量——会持续20年——太令人兴奋了！
　　在奥尔卡里亚，地热井都会进行大约两个月的测试，以确定其流量。然后，井里的蒸汽被引入当地的小型发电站，或是通过管道输送至更大的发电站，如奥尔卡里亚6号发电站。由于“地狱之门”是众多野生动物的家园，因此在一些地方，管道必须抬离地面数米，以让长颈鹿和其他野生动物安全通过。
　　奥尔卡里亚的部分电力是在地热井当场产生的，这些小型“卫星井”往往只有2到3公里深，每个井可产生大约5兆瓦的电能——足够为5万户肯尼亚家庭供电。在蒸汽驱动涡轮机的同时，水也被注入地下，以确保地热井永远不会干涸。随着时间的推移，地下水会被重新加热，变成蒸汽。


在地狱之门地区，依赖旅游业的人担心地热发电站的扩张可能会破坏他们的生计

　　地热发电的优势
　　在一个电力供不应求的国家，地热发电站具有一些明显的优势。首先，这些发电站可以迅速扩张。可持续能源工程师表示，在奥尔卡里亚，试验性的发电站大概需要一年时间建成，而接下来4年里就能钻14个地热井。一旦走上正轨，发电站的发展会十分迅速。
　　发电站的规模也很重要。位于地热井上的小型发电站规模比一个足球场还小，而当发现更强大的蒸汽源时，它们可以被拆除，并从一口井迁移到另一口井。这是地热的一个重要优势——它需要的足迹非常小。与风能、太阳能或煤炭相比，开发地热能所需要的土地要少得多。
　　不过，尽管单个地热井可能很小，但300个地热井分布在一个布满管道和输电线路、通道以及注水池的山谷中，使奥尔卡里亚成为一个庞然大物。这对放牧的马赛人造成了困扰，几个世纪以来，他们一直在这片土地上放牧。
　　为了给奥尔卡里亚的扩张腾出地方，肯尼亚电力公司将来自155户家庭的1181位马赛族居民重新安置到一块面积达1700英亩，建有房屋、教堂和学校的土地上。工程师也同样希望能有来自马赛人社区的下一代科学家和工程师。
　　到目前为止，奥尔卡里亚的雇员有1250人，但只有50人是马赛人，其中来自安置社区的只有20人。没有多少肯尼亚人有机会上大学，尤其是农村的牧民。现在，在奥尔卡里亚南部苏斯瓦（Suswa）火山口附近的500个马赛族家庭中，有一些人担心他们很快也会被赶出去。苏斯瓦火山口是由一座休眠火山形成的，另一家地热能开发公司已经开始在其周围寻找潜在的地热井。该公司认为，苏斯瓦火山口有潜力产生750兆瓦的地热能，相当于奥尔卡里亚目前的发电量。
　　“在奥尔卡里亚，那些人都被赶走了，”Kiano Sempui说道。他是一个马赛人，也是三个孩子的父亲，居住在苏斯瓦火山口附近，以放牧山羊、绵羊和牛为生。“我们非常肯定，当这家公司来到这里时，同样的事情迟早会发生在我们身上。”
　　更重要的是，Kiano Sempui担心地热能开发会破坏他努力打造的小型旅游业。每到周末，都会有数十名肯尼亚和外国游客前往火山口，参观天然洞穴迷宫，并沿着火山口边缘徒步旅行，欣赏山下森林的美景。除了可以欣赏到花豹等野生动物，他们还可以在悬崖边的星空下露营。公园保护区的旅游收入可以用来支付教师工资、医院账单和修路费用等。
　　Sempui说：“当地热上涌时，保护区就会被破坏，因为没有多少游客愿意忍受这些噪音。”他指的是在地热井进行测试或维护时，从井中会喷出令人心惊肉跳的滚滚蒸汽。


冰岛的地热公司将释放出来的二氧化碳注入地下深处，形成矿物质，从而将其封存起来

　　地热工程的问题
　　近年来，肯尼亚政府和外国投资者花费了数十亿美元，将越来越多的东非地区连接到电网。为了满足该地区快速发展的城市的能源需求，人们将更多的目光投向了地热能开发，而当地牧民的土地问题是亟需解决的几个挑战之一。
　　另一个挑战是如何处理地热流体所释放的二氧化碳。温泉和蒸汽喷发口也会自然地排放出二氧化碳。不同地热项目所释放的碳量差别很大，但与燃烧化石燃料相比，其排放总量仍微不足道——仅相当于燃烧煤炭的2.7%，或燃烧天然气的5%。
　　一些发电站，如冰岛的项目，是通过捕获碳并将其注入地下，在那里使其矿化并变得无害。冰岛有一个名为Carbfix的项目，在过去10年里一直在研究这个问题。现在，来自赫利舍迪（Hellisheidi）大型地热发电站的大量二氧化碳被重新注入到玄武岩深处，形成了新的矿物质，成为岩石的一部分。
　　相比二氧化碳，更可能带来问题的也许是将水重新注入岩石深处以补充蒸汽。重新注入的水含有高浓度的二氧化硅和盐（相对于低温的地下水），有时还有有毒元素，如砷、锂、锑、汞、硫和许多其他元素，在大多数情况下，水被注入到足够深的地方，不会影响蓄水层，但如果出了差错，就有可能污染饮用水源。
　　另外一个事实是，地热工程可能会通过压裂岩石的方式引起地震活动。这并不是危言耸听，而是时常发生的情况。在极少数情况下，你能感觉到地震。这产生了很多不信任，还有很多会说“别在我家后院”，你不能因此责怪他们。
　　尽管这样的地震不经常发生，但有时也会造成严重的后果。2017年11月，一家地热发电站的注水作业导致一条此前不为人知的断层线断裂，在韩国浦项引发了一场5.5级地震，最终有1700人被重新安置。更好的监测和风险管理有助于在未来避免类似的大地震。


地热能可能在有温泉和间歇泉的地区最为突出，但在一些气候更温和的地区，地热也能提供重要的清洁能源

　　向深处钻探
　　地热能开发只有一个多世纪的历史，远不如化石燃料，其未来很可能还会持续很久。然而，对于下一个前沿是什么，人们还有很多分歧。目前大多数地热发电站“需要一个中等规模的储热库，包括温泉、间歇泉和其他地热特征等”。这些本质上都是地热领域可轻易实现的目标。
　　无论在什么地方，只要你钻得足够深，就会获得很高的温度那我们为什么不往深处钻探，把岩石弄断，将热量取出来呢？听起来真的很诱人。钻探很有意思，但说实话，真的很难做到。我们很难让岩石在正确的方向断裂。
　　例如，冰岛的一项深度约4.6公里的钻探计划已经遇到了一些严峻的挑战，出现了一些残酷的化学反应，所有的设备都被摧毁了。地热流体会溶解来自地下岩浆的二氧化碳等气体，而当温度超过400摄氏度时，这些液体也会溶解岩石中的矿物质。这使得地热流体具有很强的腐蚀性，会对金属钻井设备、管道和固定设备的水泥造成损害。
　　一些工程师希望向更深处钻探，而另一些人则认为开发的热度应该降一降温。在无法建设大型发电站的地方，可以用低廉的成本开发出发电量较小的低温地热系统。


中国已经是地热发电的大国之一，许多其他国家也在试验用温度仅够泡茶的水发电的新方法。理论上，在任何地方，只要钻探得足够深，就可以产生地热能。有朝一日，我们甚至可能利用海底的地热能。地球上的大多数火山活动都发生在海洋中部，即板块聚合或碰撞的地方，那里的水也具有驱动涡轮机的足够温度。　　在非洲，肯尼亚在地热领域的开发处于领先地位，而在东非大裂谷的其他6个国家，也存在类似奥尔卡里亚的地质特征。肯尼亚电力公司已经在埃塞俄比亚运营着22口地热井，并将很快在吉布提开采地热蒸汽。
　　在全球范围内，只要是构造板块发生碰撞的地区，就有发展地热能的机会。其中许多地点位于南半球，拥有最容易获得的地热能源。东非和亚洲，比如菲律宾和印度尼西亚，都有很大的潜力。不过，随着低温地热技术的不断发展，未来我们或许能在更多地方见到地热发电站，为人类提供更多的清洁能源。